- Was sind die Gesetze der Thermodynamik?
- Ursprung der Gesetze der Thermodynamik
- Erster Hauptsatz der Thermodynamik
- Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
- Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
- Nullgesetz der Thermodynamik
Wir erklären, was die Gesetze der Thermodynamik sind, woher diese Prinzipien kommen und welche Hauptmerkmale sie haben.
Was sind die Gesetze der Thermodynamik?
Die Gesetze der Thermodynamik (oder die Prinzipien der Thermodynamik) beschreiben das Verhalten von drei grundlegenden physikalischen Größen, der Temperatur, das Energie und dasEntropie, die thermodynamische Systeme charakterisieren. Der Begriff „Thermodynamik“ kommt aus dem Griechischen Thermosflasche, Was bedeutet das "Wärme", Y Dynamos, Was bedeutet das "Gewalt”.
Mathematisch werden diese Prinzipien beschrieben durch a einstellen von Gleichungen, die das Verhalten thermodynamischer Systeme erklären, definiert als ein beliebiges Untersuchungsobjekt (von a Molekül oder ein menschliches Wesen, noch bis Atmosphäre oder kochendes Wasser in einem Topf).
Es gibt vier Gesetze der Thermodynamik und sie sind entscheidend für das Verständnis der physikalischen Gesetze von Universum und die Unmöglichkeit bestimmter Phänomene wie der Bewegung ewig.
Ursprung der Gesetze der Thermodynamik
Die vier Prinzipien von Thermodynamik Sie haben unterschiedliche Ursprünge, und einige wurden aus den vorherigen formuliert. Die erste, die gegründet wurde, war die zweite, die 1824 vom französischen Physiker und Ingenieur Nicolás Léonard Sadi Carnot erstellt wurde.
Dieses Prinzip wurde jedoch 1860 von Rudolf Clausius und William Thompson erneut formuliert und fügte dann den sogenannten Ersten Hauptsatz der Thermodynamik hinzu. Später erschien das dritte, auch bekannt als "Nerst-Postulat", weil es dank der Studien von Walther Nernst zwischen 1906 und 1912 entstand.
Schließlich erschien 1930 das sogenannte "Nullgesetz", das von Guggenheim und Fowler vorgeschlagen wurde. Es sollte gesagt werden, dass es nicht in allen Bereichen als wahres Gesetz anerkannt wird.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Das erste Gesetz wird "Gesetz der Energieerhaltung" genannt, weil es vorschreibt, dass in jedem System isoliert von seiner Umgebung bleibt die Gesamtenergiemenge immer gleich, auch wenn sie von einer Energieform in andere umgewandelt werden kann. Oder anders gesagt: Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt werden.
Wenn man also einem physikalischen System eine gegebene Wärmemenge (Q) zuführt, kann seine Gesamtenergiemenge berechnet werden als zugeführte Wärme abzüglich derArbeit (W) durch das System auf seine Umgebung durchgeführt. In einer Formel ausgedrückt: ΔU = Q - W.
Stellen wir uns als Beispiel für dieses Gesetz einen Flugzeugmotor vor. Es handelt sich um ein thermodynamisches System, das aus Kraftstoff besteht, der während des Prozesses der chemischen Reaktion chemisch reagiert Verbrennung, gibt Wärme ab und verrichtet Arbeit (dadurch bewegt sich das Flugzeug). Also: Wenn wir die geleistete Arbeit und die freigesetzte Wärme messen könnten, könnten wir die Gesamtenergie des Systems berechnen und daraus schließen, dass die Energie im Triebwerk während des Fluges konstant geblieben ist: Energie wurde weder erzeugt noch vernichtet, sondern verändert von chemische Energie zu kalorische Energie JaKinetische Energie (Bewegung, das heißt Arbeit).
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Der zweite Hauptsatz, auch «Gesetz der Entropie» genannt, lässt sich so zusammenfassen, dass die Menge von Entropie im Universum nimmt tendenziell im . zu Wetter. Dies bedeutet, dass der Grad der Unordnung der Systeme bis zum Erreichen eines Gleichgewichtspunktes, dem Zustand der größten Unordnung des Systems, zunimmt.
Dieses Gesetz führt einen grundlegenden Begriff in der Physik ein: den Begriff der Entropie (dargestellt durch den Buchstaben S), der bei physikalischen Systemen den Grad der Unordnung darstellt. Es stellt sich heraus, dass bei jedem physikalischen Vorgang, bei dem eine Energieumwandlung stattfindet, eine bestimmte Energiemenge nicht nutzbar ist, also keine Arbeit verrichten kann. Wenn Sie nicht arbeiten können, ist diese Energie in den meisten Fällen Wärme. Diese Wärme, die das System freisetzt, erhöht die Unordnung des Systems, seine Entropie. Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems.
Die Formulierung dieses Gesetzes legt fest, dass die Entropieänderung (dS) immer gleich oder größer als dieWärmeübertragung (dQ), geteilt durch die Temperatur (T) des Systems. Das heißt: dS dQ / T.
Um dies an einem Beispiel zu verstehen, reicht es, eine gewisse Menge an zu verbrennen Angelegenheit und sammeln Sie dann die resultierende Asche. Beim Wiegen stellen wir fest, dass es sich um weniger Materie handelt als im Ausgangszustand: Ein Teil der Materie wurde in Wärme in Form von Gase dass sie keine Arbeit am System leisten können und zu dessen Unordnung beitragen.
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Der dritte Hauptsatz besagt, dass die Entropie eines Systems, das auf den absoluten Nullpunkt gebracht wird, eine bestimmte Konstante ist. Mit anderen Worten:
- Beim Erreichen des absoluten Nullpunkts (Null in Kelvin-Einheiten) stoppen die Prozesse physikalischer Systeme.
- Beim Erreichen des absoluten Nullpunkts (Null in Kelvin-Einheiten) hat die Entropie einen konstanten Minimalwert.
Es ist schwierig, den sogenannten absoluten Nullpunkt (-273,15 ° C) täglich zu erreichen, aber wir können über dieses Gesetz nachdenken, indem wir analysieren, was in einem Gefrierschrank passiert: Lebensmittel die wir dort deponieren, wird so kalt, dass sich die biochemischen Prozesse darin verlangsamen oder sogar stoppen. Deshalb verzögert sich seine Zersetzung und seine Verbrauch noch viel länger.
Nullgesetz der Thermodynamik
Das "Nullgesetz" ist unter diesem Namen bekannt, obwohl es zuletzt in Kraft war. Auch bekannt als Gesetz des thermischen Gleichgewichts, schreibt dieses Prinzip vor: „Wenn zwei Systeme in thermisches Gleichgewicht unabhängig mit einem dritten System müssen sie auch untereinander im thermischen Gleichgewicht stehen“. Es kann logisch wie folgt ausgedrückt werden: Wenn A = C und B = C, dann A = B.
Dieses Gesetz erlaubt es uns, die Wärmeenergie von drei verschiedenen Körpern A, B und C zu vergleichen. Wenn Körper A mit Körper C im thermischen Gleichgewicht ist (sie haben die gleiche Temperatur) und B auch die gleiche Temperatur wie C hat, dann sind A und B haben die gleiche Temperatur.
Eine andere Möglichkeit, dieses Prinzip zu formulieren, besteht darin, zu argumentieren, dass zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, die sich berühren, Wärme austauschen, bis sich ihre Temperaturen angeglichen haben.
Alltägliche Beispiele für dieses Gesetz sind leicht zu finden. Wenn wir in kaltes oder heißes Wasser kommen, bemerken wir den Temperaturunterschied nur in den ersten Minuten, da unser Körper dann mit dem Wasser in ein thermisches Gleichgewicht gerätWasser und wir werden den Unterschied nicht mehr bemerken. Das gleiche passiert, wenn wir einen heißen oder kalten Raum betreten: Wir nehmen zunächst die Temperatur wahr, aber dann hören wir auf, den Unterschied wahrzunehmen, weil wir mit ihr in ein thermisches Gleichgewicht kommen.